項目二 電弧與電氣觸頭基本知識

電弧的形成與熄滅一.電弧的基本知識

在大氣中開斷電路時，如果電路電壓不低于10～20伏，電流不小于80～100mA，在觸頭分離后會產(chǎn)生一團白光。這團白光溫度極高，而且能夠?qū)щ?，這就是電弧。電弧是開關(guān)電器在開斷過程中不可避免的現(xiàn)象。圖1電弧的產(chǎn)生二.電弧的特點

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，在外力作用下會拉長、卷曲、形成十分復(fù)雜的形狀。1、電弧的特點：（1）電弧有陰極區(qū)、弧柱區(qū)（包括

弧柱、弧焰）、陽極區(qū)三部分組成。（2）電弧是一束質(zhì)量很輕的游離態(tài)氣體，在外力作用下會迅速拉伸變形。（3）電弧能量高度集中，弧柱中心。（4）電弧有良好的導(dǎo)電性能、高的電導(dǎo)值。圖2

電弧的組成和特點三.

電弧的危害

（1）電弧的存在延長了開關(guān)電器開斷故障電路的時間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害。（2）電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對充油電氣設(shè)備還可能引起著火、爆炸等危險（3）電弧在電動力、熱力作用下能移動，很容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴大。

根據(jù)以上分析，要保證開關(guān)電器正常工作就必須迅速可靠的熄滅電弧。圖3

高壓斷路器電弧引發(fā)的閃爆圖4

配電柜瞬間電弧引發(fā)的閃爆圖5

配電柜瞬間電弧引發(fā)的閃爆四.電弧的形成—弧柱中自由電子的主要來源（1）熱電子發(fā)射當(dāng)開關(guān)電器的動、靜觸頭分離時，觸頭間的接觸壓力及接觸面積逐漸縮小，接觸電阻增大，使接觸部位劇烈發(fā)熱，導(dǎo)致陰極表面溫度急劇升高而發(fā)射電子，形成熱電子發(fā)射。（2）強電場發(fā)射

開關(guān)電器分閘的瞬間，由于動、靜觸頭的距離很小，觸頭間會形成很強的電場，陰極內(nèi)部的電子在強電場作用下被拉出來，就形成強電場發(fā)射。四.電弧的形成—弧柱中自由電子的主要來源（3）碰撞游離

從陰極表面發(fā)射出的電子在電場力的作用下高速向陽極運動，在運動過程中不斷地與中性質(zhì)點（原子或分子）發(fā)生碰撞。當(dāng)高速運動的電子積聚足夠大的動能時，就會從中性質(zhì)點中打出一個或多個電子，使中性質(zhì)點游離，這一過程稱為碰撞游離。連續(xù)不斷的碰撞游離，使氣體中帶電質(zhì)點大量增加，在外電壓作用下，氣體被擊穿，形成電弧放電。

（4）熱游離

觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙?；∠稖囟群芨??；≈袣怏w分子在高溫作用下產(chǎn)生劇烈熱運動，動能很大的中性質(zhì)點互相碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離。熱游離形成的電子向陽極運動，正離子向陰極運動，撞擊陰極，使陰極不斷發(fā)射電子，因此電流就以電弧的形式在觸頭間持續(xù)流通。電弧的形成—弧柱中自由電子的主要來源五.電弧的形成電弧產(chǎn)生總結(jié)：觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫炙熱點，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸頭間間隙很小，使得電壓強度很高，產(chǎn)生強電場發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，發(fā)生碰撞游離，導(dǎo)致觸頭間隙中帶電質(zhì)點急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的主要因素，此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。六.電弧的熄滅——去游離形式電弧的燃燒是由游離過程維持的，但在電弧中同時還進行著相反的使帶電質(zhì)點數(shù)量減少的過程，稱為去游離。如果游離作用大于去游離，電弧燃燒加??；如果兩者持平，電弧穩(wěn)定燃燒；如果去游離作用大于游離作用,則熄滅。

1.復(fù)合

正離子和負離子相互吸引而中和成為中性質(zhì)點的過程。因為自由電子的速度遠大于正離子，它們直接復(fù)合的很少，往往是自由電子先附著在中性質(zhì)點上形成負離子，運動速度大大減慢，此時正離子和負離子更容易復(fù)合。還有一種情況就是電子先被固體介質(zhì)表面吸附后，再被正離子捕獲成為中性質(zhì)點。六.電弧的熄滅——去游離形式2.擴散擴散是弧柱中的帶電質(zhì)點逸出電弧進入周圍介質(zhì)中，被周圍介質(zhì)冷卻而復(fù)合的過程。①溫度擴散，由于電弧和周圍介質(zhì)間存在很大溫差，使得電弧中的高溫帶電質(zhì)點向溫度低的周圍介質(zhì)中擴散，減少了電弧中的帶電質(zhì)點。②濃度擴散，這是因為電弧和周圍介質(zhì)存在濃度差，帶電質(zhì)點就從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，使電弧中的帶電質(zhì)點減少；③利用吹弧擴散，在斷路器中采用高速氣體吹弧，帶走電弧中的大量帶電質(zhì)點，以加強擴散作用。電弧的熄滅——去游離形式六.電弧的熄滅—影響去游離的因素

(1)電弧溫度電弧是由熱游離維持的，降低電弧溫度就可以減弱熱游離，減少新的帶電質(zhì)點的產(chǎn)生。同時，也減小了帶電質(zhì)點的運動速度，加強了復(fù)合作用。

使溫度降低的方法有：吹弧、拉長電弧、或與冷卻介質(zhì)表面接觸。

(2)介質(zhì)的特性電弧燃燒時所在介質(zhì)的特性在很大程度上決定了電弧中去游離的強度，包括：導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、熱游離溫度、介電強度等。這些參數(shù)越大，去游離作用越強，電弧越容易熄滅。氫氣7.5空氣六氟化硫100空氣

電弧的熄滅—影響去游離的因素

(3)氣體介質(zhì)的壓力氣體介質(zhì)的壓力對電弧去游離的影響很大。因為氣體的壓力越大，電弧中質(zhì)點的濃度就越大，質(zhì)點間的距離就越小，復(fù)合作用越強，電弧就越容易熄滅。比如在高度的真空中，由于發(fā)生碰撞的幾率減小，抑制了碰撞游離，而擴散作用卻很強。因此，真空是很好的滅弧介質(zhì)。電弧的熄滅—影響去游離的因素

(4)觸頭材料

觸頭材料也影響去游離的過程。當(dāng)觸頭采用熔點高、導(dǎo)熱能力強和熱容量大的耐高溫金屬時，減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，有利于電弧熄滅。電弧的熄滅—影響去游離的因素交流電弧的熄滅一.交流電弧的特點

因為交流回路和直流回路中產(chǎn)生的電弧在特性上有差異，所以熄滅這兩種電弧的方法也并不完全相同，在直流電路中產(chǎn)生的電弧叫直流電弧，在開斷交流回路中產(chǎn)生的電弧叫交流電弧。

1.動態(tài)伏安特性在交流電路中，電流瞬時值隨時間變化，每個周期有兩次通過零點，因而電弧的溫度、直徑以及電弧電壓也隨時間變化，電弧的這種特性稱為動態(tài)伏安特性2.熱慣性

交流電流變化很快，而弧柱的受熱升溫或散熱降溫都有過程，跟不上快速變化的電流，所以電弧溫度的變化總滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱為電弧的熱慣性。一.交流電弧的特點圖6交流電弧的伏安特性及電壓電流波形圖

由圖可見，電流由負值過零瞬間，電弧暫時熄滅，但觸頭兩端仍有電源電壓。在電流上升階段，當(dāng)電壓升至A點時，電弧重燃，對應(yīng)于A點的電壓稱為燃弧電壓；從B點以后電流逐漸減少，電弧壓降相應(yīng)回升（BC段），到達C點時電弧再次熄滅，對應(yīng)電壓稱為熄弧電壓。一.交流電弧的特點圖6交流電弧的伏安特性及電壓電流波形圖二.交流電弧的熄滅交流電流過零后，電弧是否重燃取決于弧隙介質(zhì)介電強度和弧隙電壓的恢復(fù)。1.弧隙介質(zhì)介電強度的恢復(fù)

弧隙介質(zhì)能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓稱為弧隙的介質(zhì)強度。當(dāng)電弧電流過零時電弧熄滅，而弧隙的介質(zhì)強度要恢復(fù)到正常狀態(tài)值還需一定的時間，此恢復(fù)過程稱為弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)過程，以耐受電壓Ud(t)表示.二.交流電弧的熄滅2.弧隙電壓的恢復(fù)過程

電流過零前，弧隙電壓呈馬鞍形變化，電壓值很低，電源電壓的絕大部分降落在線路和負載阻抗上。電流過零時，弧隙電壓等于熄弧電壓，正處于馬鞍形的后峰值處。電流過零后，弧隙電壓從后峰值逐漸增長，一直恢復(fù)到電源電壓，這一過程中的弧隙電壓稱為恢復(fù)電壓，其電壓恢復(fù)過程以Ur(t)表示。

電流過零后，電弧能否熄滅取決于兩個恢復(fù)過程作用的結(jié)果：1）如果弧隙電壓恢復(fù)過程上升速度較快，弧隙電壓恢復(fù)過程大于弧隙介質(zhì)的介電強度恢復(fù)過程，介質(zhì)被擊穿,電弧重燃。2）如果弧隙介質(zhì)的介電強度恢復(fù)過程始終大于弧隙電壓恢復(fù)過程，則電弧熄滅。

二.交流電弧的熄滅因此，交流電弧的熄滅條件為：

Ud（t）>Ur（t）Ud（t）—弧隙介質(zhì)的介電強度；Ur（t）—弧隙恢復(fù)電壓二.交流電弧的熄滅圖7

交流電弧的重燃與熄滅熄滅交流電弧的方法一、提高觸頭的分閘速度二、采用多斷口三、吹弧■吹弧氣流產(chǎn)生的方法■吹弧的方向四、短弧原理滅弧五、利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧六、采用耐高溫金屬材料制作觸頭七、采用優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì)一.提高觸頭的分閘速度

熄滅交流電弧的關(guān)鍵在于電弧電流過零后，弧隙的介質(zhì)強度的恢復(fù)過程能否始終大于弧隙電壓的恢復(fù)過程。為了加強冷卻，抑制熱游離，增強去游離，在開關(guān)電器中裝設(shè)專用的滅弧裝置或使用特殊的滅弧介質(zhì)，以提高開關(guān)的滅弧能力。迅速拉長電弧，有利于迅速減小弧柱中的電位梯度，增加電弧與周圍介質(zhì)的接觸面積，加強冷卻和擴散的作用。因此，現(xiàn)代高壓開關(guān)中都采取了迅速拉長電弧的措施滅弧，如采用強力分閘彈簧，其分閘速度已達16m/s以上。

二.

采用多斷口

每一相有兩個或多個斷口相串聯(lián)。在熄弧時，多斷口把電弧分割成多個相串聯(lián)的小電弧段。多斷口使電弧的總長度加長，導(dǎo)致弧隙的電阻增加；在觸頭行程、分閘速度相同的情況下，電弧被拉長的速度成倍增加，使弧隙電阻加速增大，提高了介質(zhì)強度的恢復(fù)速度，縮短了滅弧時間。采用多斷口時，加在每一斷口上的電壓成倍減少，降低了弧隙的恢復(fù)電壓，亦有利于熄滅電弧。在要求將電弧拉到同樣的長度時，采用多斷口結(jié)構(gòu)成倍減小了觸頭行程，也就減小了開關(guān)電器的尺寸。圖8不同斷口數(shù)的觸頭示意圖1-靜觸頭；2-動觸頭；3-電??；4-可動觸頭；5-導(dǎo)電橫擔(dān)；6-絕緣桿；7-連線

三.

吹弧

用新鮮而且低溫的介質(zhì)吹拂電弧時，可以將帶電質(zhì)點吹到弧隙以外，加強了擴散，由于電弧被拉長變細，使弧隙的電導(dǎo)下降。吹弧還使電弧的溫度下降，熱游離減弱，復(fù)合加快。按吹弧氣流的產(chǎn)生方法和吹弧方向的不同，吹弧可分為以下幾種。圖9吹弧示意圖（1）用油氣吹弧用油氣作吹弧介質(zhì)的斷路器稱為油斷路器。在這種斷路器中，有用專用材料制成的滅弧室，其中充滿了絕緣油。當(dāng)斷路器觸頭分離產(chǎn)生電弧后，電弧的高溫使一部分絕緣油迅速分解為氫氣、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等氣體，其中氫的滅弧能力是空氣的7.5倍。這些油氣體在滅弧室中積蓄能量，一旦打開吹口，即形成高壓氣流吹弧。（2）用壓縮空氣或六氟化硫氣體吹弧將20個左右大氣壓的壓縮空氣或5個大氣壓左右的六氟化硫氣體（SF6）事先儲存在專門的儲氣罐中，斷路器分閘時產(chǎn)生電弧，隨后打開噴口，用具有一定壓力的氣體吹弧。（3）產(chǎn)氣管吹弧產(chǎn)氣管由纖維、塑料等有機固體材料制成，電弧燃燒時與管的內(nèi)壁緊密接觸，在高溫作用下，一部分管壁材料迅速分解為氫氣、二氧化碳等，這些氣體在管內(nèi)受熱膨脹，增高壓力，向管的端部形成吹弧。2.按吹弧的方向分為：（1）縱吹吹弧的介質(zhì)（氣流或油流）沿電弧方向的吹拂稱為縱吹，縱吹能增強弧柱中的帶電質(zhì)點向外擴散，使新鮮介質(zhì)更好地與熾熱電弧接觸，加強電弧的冷卻，有利于迅速滅弧。（2）橫吹橫吹時氣流或油流的方向與觸頭運動方向是垂直的，或者說與電弧軸線方向垂直。橫吹不但能加強冷卻和增強擴散，還能將電弧迅速吹彎吹長。有介質(zhì)滅弧柵的橫吹滅弧室，柵片能更充分地冷卻和吸附電弧，加強去游離。在相同的工作條件下，橫吹比縱吹效果要好。（3）縱橫吹橫吹滅弧室在開斷小電流時因室內(nèi)壓力太小，開斷性能較差。為了改善開斷小電流時的滅弧性能，可將縱吹和橫吹結(jié)合起來。在大電流時主要靠橫吹，小電流時主要靠縱吹，這就是縱橫吹滅弧室。圖11縱橫吹滅弧室示意圖1-靜觸頭；2-動觸頭；3-密閉燃弧室；4-變壓器油；5-電弧；6-橫吹口；7-空氣囊

四.

短弧原理滅弧

滅弧裝置是一個金屬柵滅弧罩，利用將電弧分為多個串聯(lián)的短弧的方法來滅弧。由于受到電磁力的作用，電弧從金屬柵片的缺口處被引入金屬柵片內(nèi)，一束長弧就被多個金屬片分割成多個串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質(zhì)強度或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而熄滅。圖12金屬滅弧柵滅弧

五.

利用固體介質(zhì)的狹縫狹溝滅弧

滅弧裝置的滅弧片是由石棉水泥或陶土制成的。觸頭間產(chǎn)生電弧后，在磁吹裝置產(chǎn)生的磁場作用下，將電弧吹入又滅弧片構(gòu)成的狹縫中，把電弧迅速拉長的同時，使電弧與滅弧片內(nèi)壁緊密接觸，對電弧的表面進行冷卻和吸附，產(chǎn)生強烈的去游離。圖13所示為狹縫滅弧裝置的工作原理圖。

圖13狹縫滅弧裝置的工作原理1-磁吹鐵心；2-磁吹繞組；3-靜觸頭；4-動觸頭；5-滅弧片；6-滅弧罩；7-電弧移動

石英砂熔斷器中的熔絲熔斷時，在石英砂的狹溝中產(chǎn)生電弧。由于受到石英砂的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。同時，熔絲氣化時產(chǎn)生的金屬蒸汽滲入石英砂中遇冷而迅速凝結(jié)，大大減少了弧隙中的金屬蒸汽，使得電弧容易熄滅。原理圖如14所示。圖14石英砂滅弧原理1-熔絲；2-銅帽；3-石英砂；4-管體

六.

用耐高溫金屬材料作觸頭、優(yōu)質(zhì)滅弧介質(zhì)

觸頭材料對電弧中的去游離也有一定影響，用熔點高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，從而減弱了游離過程，有利于熄滅電弧。滅弧介質(zhì)的特性，如導(dǎo)熱系數(shù)、電強度、熱游離溫度、熱容量等，對電弧的游離程度具有很大影響，這些參數(shù)值越大，去游離作用就越強。在高壓開關(guān)中，廣泛采用壓縮空氣、六氟化硫（SF6）氣體、真空等作為滅弧介質(zhì)。電氣觸頭的基本知識一、概述二、觸頭的接觸電阻三、觸頭的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定四、觸頭的分類和結(jié)構(gòu)■按接觸面的形式分類■按結(jié)構(gòu)形式類

一.

電氣觸頭基本知識概述1.觸頭的概念

電氣觸頭是指兩個導(dǎo)體或幾個導(dǎo)體之間相互接觸的部分.

2.對電氣觸頭的基本要求（1）結(jié)構(gòu)可靠；（2）接觸電阻小且穩(wěn)定，有良好的導(dǎo)電性能和接觸性能；（3）通過規(guī)定電流時，發(fā)熱穩(wěn)定且不超過允許值；（4）通過短路電流時，具有足夠的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；（5）開斷規(guī)定短路電流時，觸頭不被灼傷，不發(fā)生熔焊。

二.

觸頭的接觸電阻

觸頭在正常工作和通過短路電流時的發(fā)熱都與接觸電阻值有關(guān)，所以觸頭的質(zhì)量在很大程度上取決于觸頭的接觸電阻值。正常情況下，觸頭間的接觸壓力、表面加工狀況、表面氧化程度及接觸情況等都會影響接觸電阻值。

1.觸頭間的壓力觸頭間的壓力越大，觸頭間的接觸電阻就越小。

2.觸頭材料及防氧化措施觸頭一般由銅、黃銅和青銅等材料制成。為防止觸頭表面被氧化，一般需要采取鍍錫、鍍銀和涂防腐漆和凡士林油等措施加以防護。

三.觸頭的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定

觸頭在長期負荷電流下工作時，由于接觸電阻的存在，觸頭要發(fā)熱，使其溫度升高，同時也向周圍介質(zhì)散熱，當(dāng)發(fā)熱量等于散熱量時，觸頭就穩(wěn)定在工作溫度下運行。這個溫度值小于觸頭材料長期允許的溫度。因此，觸頭是安全的。由于負荷電流相對于短路電流要小得多，所產(chǎn)生的電動力不會影響觸頭的正常工作。當(dāng)觸頭短時間內(nèi)通過大電流時，如短路電流、電動機的起動電流等，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動力具有沖擊特性，對觸頭能否正常工作造成很大威脅，可能使觸頭熔焊和短時過熱、觸頭接觸壓力下降等后果。因此，開關(guān)電器必須采取有效措施，保證在通過短路電流時有足夠的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。

四.觸頭的分類及其結(jié)構(gòu)1.按接觸面積的形式分類（1）